KR20110050957A - Through via contact in semiconductor device and method of forming the same - Google Patents

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KR20110050957A
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최길현
박병률
안상훈
이종명
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Abstract

PURPOSE: A via contact passing through a semiconductor device and a manufacturing method thereof are provided to suppress the thermal expansion of first and second conductive patterns included in the via contact by including a buffer pattern. CONSTITUTION: A via hole(14) which passes through an interlayer insulation layer(12) and is extended to the lower side of a substrate(10) is formed on a substrate. A first conductive pattern(18a) is formed along the sidewall and the lower side of the via hole. A buffer pattern(22a) is formed on the first conductive pattern. A second conductive pattern(28a) covers the upper side of the buffer pattern. A capping layer(29) is formed on the first and second conductive patterns to protect the first and second conductive patterns.

Description

반도체 소자의 관통 비아 콘택 및 그 형성 방법{Through via contact in semiconductor device and method of forming The same} Through via contact in semiconductor device and method of forming The same

본 발명은 반도체 소자의 관통 비아 콘택 및 그 형성 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 기판을 관통하는 비아 콘택 및 그 형성 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a through via contact of a semiconductor device and a method of forming the same. More specifically, it relates to a via contact penetrating through a substrate and a method of forming the same.

반도체 소자가 고도로 집적화되고 대용량화됨에 따라, 각 개별 칩들을 적층시키는 3차원 패키지 기술이 개발되고 있다. 이 중, 관통 실리콘 비아 콘택(Through Silicon Via Contact) 기술은 기존의 와이어 본딩 기술을 대체하는 기술로써 기판을 관통하는 비아홀을 형성하고 상기 비아홀 내에 전극을 형성하는 패키지 기술이다. As semiconductor devices are highly integrated and large in capacity, three-dimensional package technology for stacking individual chips is being developed. Among these, through silicon via contact technology is a package technology that forms a via hole through a substrate and forms an electrode in the via hole as a technology to replace a conventional wire bonding technology.

그런데, 상기 비아홀 내에 충진된 도전성 물질이 열에 의해 부피 팽창되는 경우, 상기 관통 실리콘 비아 콘택의 상부는 주변에 비해 불규칙적으로 돌출될 수 있으며, 이 때 돌출되는 높이 또한 수 마이크로 미터 정도로 매우 높다. 상기 관통 실리콘 비아 콘택의 상부면이 돌출되면, 상기 관통 실리콘 비아 콘택을 덮는 상부 박막들이 리프팅되거나 균열이 생기는 등의 문제가 발생될 수 있다. 이로인해, 상기 관통 실리콘 비아 콘택을 포함하는 반도체 소자의 신뢰성이 저하된다. However, when the conductive material filled in the via hole is expanded by heat, the upper portion of the through-silicon via contact may protrude irregularly from the surroundings, and the protruding height is also very high, such as several micrometers. When the upper surface of the through silicon via contact protrudes, a problem may occur such that the upper thin films covering the through silicon via contact are lifted or cracked. This lowers the reliability of the semiconductor device including the through silicon via contact.

본 발명의 목적은 돌출되는 부위없이 평탄한 상부면을 갖는 관통 비아 콘택을 제공하는데 있다. It is an object of the present invention to provide a through via contact having a flat top surface without protruding portions.

본 발명의 다른 목적은 상기한 관통 비아 콘택 형성 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a method of forming a through via contact as described above.

본 발명의 다른 목적은 상기한 관통 비아 콘택을 포함하는 반도체 소자를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a semiconductor device including the through via contact described above.

본 발명의 다른 목적은 상기 반도체 소자 제조 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the semiconductor device.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 관통 비아 콘택은, 비아홀을 포함하는 기판이 구비된다. 상기 비아홀의 측벽 및 저면을 따라 제1 도전 패턴이 구비된다. 상기 제1 도전 패턴 상에는 상기 비아홀 내부의 일부만 채워진 완충 패턴이 구비된다. 상기 비아홀 내부에서 상기 완충 패턴 상부면을 덮는 제2 도전 패턴을 포함한다. Through-via contact according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is provided with a substrate including a via hole. A first conductive pattern is provided along sidewalls and bottom surfaces of the via holes. A buffer pattern in which only a portion of the inside of the via hole is filled is provided on the first conductive pattern. And a second conductive pattern covering the upper surface of the buffer pattern in the via hole.

본 발명의 일 실시예로, 상기 제1 도전 패턴 및 완충 패턴 사이에는 제1 베리어 금속막 패턴이 구비될 수 있다. In one embodiment of the present invention, a first barrier metal film pattern may be provided between the first conductive pattern and the buffer pattern.

본 발명의 일 실시예로, 상기 제2 도전 패턴의 하부 표면을 따라 제2 베리어 금속막 패턴이 구비될 수 있다. In one embodiment of the present invention, a second barrier metal film pattern may be provided along the lower surface of the second conductive pattern.

본 발명의 일 실시예로, 상기 완충 패턴은 상기 제1 도전 패턴에 비해 낮은 열팽창 계수를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 상기 완충 패턴은 실리콘 물질, 산화물, 금속 물질을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the buffer pattern may include a material having a lower coefficient of thermal expansion than the first conductive pattern. The buffer pattern may include a silicon material, an oxide, or a metal material.

본 발명의 일 실시예로, 상기 기판 상에 반도체 회로 패턴들이 구비될 수 있다. 또한, 상기 회로 패턴들을 덮는 하부 층간 절연막이 구비될 수 있다. In an embodiment of the present invention, semiconductor circuit patterns may be provided on the substrate. In addition, a lower interlayer insulating layer may be provided to cover the circuit patterns.

상기 비아홀은 상기 하부 층간 절연막 상부 표면으로부터 하방으로 연장된 형상을 가질 수 있다. The via hole may have a shape extending downward from an upper surface of the lower interlayer insulating layer.

상기 하부 층간 절연막, 제2 도전 패턴 및 제1 도전 패턴을 덮는 캡핑막이 구비될 수 있다. A capping layer covering the lower interlayer insulating layer, the second conductive pattern, and the first conductive pattern may be provided.

본 발명의 일 실시예로, 상기 제1 및 제2 도전 패턴은 구리를 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the first and second conductive patterns may include copper.

본 발명의 일 실시예로, 상기 비아홀은 10 내지 100㎛의 깊이를 가질 수 있다. In one embodiment of the present invention, the via hole may have a depth of 10 to 100㎛.

상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 관통 비아 콘택의 형성 방법으로, 기판을 식각하여 상기 기판 표면 아래로 연장되는 비아홀을 형성한다. 상기 비아홀의 측벽 및 저면을 따라 제1 도전막을 형성한다. 상기 제1 도전막 상에 상기 비아홀 내부를 일부만 채우도록 완충 패턴을 형성한다. 상기 완충 패턴 상에 상기 비아홀을 채우는 제2 도전막을 형성한다. 또한, 상기 비아홀 상부가 노출되도록 상기 제1 및 제2 도전막 상부면을 제거하여, 상기 비아홀 내에 구비되는 제1 및 제2 도전막 패턴을 형성한다. In the method of forming a through via contact according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the substrate is etched to form a via hole extending below the surface of the substrate. A first conductive layer is formed along sidewalls and bottom surfaces of the via holes. A buffer pattern is formed on the first conductive layer to partially fill the via hole. A second conductive layer filling the via hole is formed on the buffer pattern. In addition, upper surfaces of the first and second conductive layers are removed to expose the upper portion of the via hole, thereby forming first and second conductive layer patterns provided in the via hole.

본 발명의 일 실시예로, 상기 완충 패턴을 형성하기 위하여, 상기 제1 도전 막 상에 상기 비아홀을 채우는 완충막을 형성한다. 다음에, 상기 비아홀의 상부 표면보다 낮은 높이를 갖도록 상기 완충막의 일부를 제거한다.  In one embodiment of the present invention, in order to form the buffer pattern, a buffer film filling the via hole is formed on the first conductive film. Next, a portion of the buffer film is removed to have a height lower than that of the upper surface of the via hole.

본 발명의 일 실시예로, 상기 기판 상에 반도체 회로 패턴들을 형성하는 공정 및 상기 회로 패턴들을 덮는 하부 층간 절연막을 형성하는 공정이 더 수행될 수 있다. In an embodiment of the present disclosure, a process of forming semiconductor circuit patterns on the substrate and a process of forming a lower interlayer insulating layer covering the circuit patterns may be further performed.

또한, 상기 하부 층간 절연막, 제1 및 제2 도전 패턴 상에 캡핑막 및 상부 층간 절연막을 형성할 수 있다. In addition, a capping layer and an upper interlayer insulating layer may be formed on the lower interlayer insulating layer and the first and second conductive patterns.

본 발명의 일 실시예로, 상기 제1 및 제2 도전 패턴을 형성한 다음, 400℃ 이상의 온도로 진행되는 후속 공정을 수행할 수 있다. In an embodiment of the present invention, the first and second conductive patterns may be formed, and then a subsequent process performed at a temperature of 400 ° C. or more may be performed.

본 발명의 일 실시예로, 상기 비아홀의 측벽 및 저면 상에 상기 비아홀 및 제1 도전막 사이를 절연시키는 분리용 절연막을 형성할 수 있다. In an embodiment, a separation insulating layer may be formed on the sidewalls and the bottom of the via hole to insulate the via hole from the first conductive layer.

본 발명의 일 실시예로, 상기 제1 도전막 표면 상에 제1 베리어 금속막을 형성할 수 있다. In one embodiment of the present invention, a first barrier metal film may be formed on the surface of the first conductive film.

본 발명의 일 실시예로, 상기 완충 패턴 상부 표면 및 상기 완충 패턴보다 높게 위치하는 제1 도전막 상에 제2 베리어 금속막을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제2 베리어 금속막 상에 시드막을 형성할 수 있다. In one embodiment of the present invention, a second barrier metal film may be formed on the upper surface of the buffer pattern and the first conductive layer positioned higher than the buffer pattern. In addition, a seed layer may be formed on the second barrier metal layer.

상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는, 관통하는 형상의 비아홀이 포함된 제1 기판이 구비된다. 제1 기판 상에는 제1 회로 패턴 구조물들이 구비된다. 제2 기판 상에는 패드 전극을 포함하는 제2 회로 패턴 구조물들이 구비된다. 상기 비아홀의 측벽 및 상기 비아홀 저면부를 덮는 실 린더 형상을 갖고, 상기 실린더 형상의 저면부가 상기 패드 전극 상부면과 접촉되는 제1 도전 패턴이 구비된다. 상기 제1 도전 패턴 상에는 상기 비아홀 내부의 일부만 채워진 완충 패턴이 구비된다. 상기 완충 패턴 상에는 상기 제1 도전 패턴과 접촉하여 상기 비아홀의 상부를 덮는 제2 도전 패턴이 구비된다. In accordance with another aspect of the present invention, a semiconductor device includes a first substrate including a via hole having a penetrating shape. First circuit pattern structures are provided on the first substrate. Second circuit pattern structures including a pad electrode are provided on the second substrate. A first conductive pattern having a cylinder shape covering the sidewall of the via hole and the bottom portion of the via hole and having the cylindrical bottom portion contacting the upper surface of the pad electrode is provided. A buffer pattern in which only a portion of the inside of the via hole is filled is provided on the first conductive pattern. A second conductive pattern is disposed on the buffer pattern to contact the first conductive pattern and cover the upper portion of the via hole.

상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법으로, 제1 예비 기판 상에 제1 회로 패턴 구조물들을 형성한다. 상기 제1 회로 패턴 구조물들 및 제1 예비 기판 표면 아래로 연장되는 비아홀을 형성한다. 상기 비아홀 내에 상기 비아홀의 측벽 및 저면을 따라 구비되는 제1 도전 패턴, 상기 제1 도전 패턴 상에서 상기 비아홀 내부의 일부만 채워진 완충 패턴 및 상기 완충 패턴의 상부면을 덮는 제2 도전 패턴을 포함하는 관통 비아 콘택을 형성한다. 상기 관통 비아 콘택의 저면이 노출되도록 상기 제1 예비 기판을 연마하여 제1 기판을 형성한다. 제2 기판 상에 패드 전극을 포함하는 제2 회로 패턴 구조물들을 형성한다. 또한, 상기 패드 전극과 상기 관통 비아 콘택의 제1 도전 패턴이 접촉하도록 상기 제1 및 제2 기판을 접착시킨다. In another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, wherein first circuit pattern structures are formed on a first preliminary substrate. A via hole extends below the first circuit pattern structures and the first preliminary substrate surface. A through via including a first conductive pattern provided along the sidewalls and the bottom surface of the via hole in the via hole, a buffer pattern partially filled in the via hole on the first conductive pattern, and a second conductive pattern covering an upper surface of the buffer pattern Form a contact. The first preliminary substrate is polished to expose the bottom surface of the through via contact to form a first substrate. Second circuit pattern structures including a pad electrode are formed on the second substrate. In addition, the first and second substrates are bonded to contact the pad electrode and the first conductive pattern of the through via contact.

본 발명에 따른 관통 실리콘 비아 콘택은 비아홀 내에 채워지는 물질 중 일부가 낮은 열팽창 계수를 갖는다. 그러므로, 상기 열팽창에 의해 상기 관통 실리콘 비아 콘택의 상부면이 돌출되는 문제가 감소되고, 이로인해 야기되는 공정 불량도 감소된다. 아울러, 상기 관통 실리콘 비아 콘택을 포함하는 반도체 소자는 높은 신뢰성을 갖는다. The through silicon via contact according to the present invention has a low coefficient of thermal expansion of some of the material filled in the via holes. Therefore, the problem that the top surface of the through silicon via contact is protruded by the thermal expansion is reduced, thereby reducing the process defects caused. In addition, the semiconductor device including the through silicon via contact has high reliability.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. In the drawings of the present invention, the dimensions of the structures are enlarged to illustrate the present invention in order to clarify the present invention.

본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. In the present invention, the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

본 발명에 있어서, 각 층(막), 영역, 전극, 패턴 또는 구조물들이 대상체, 기판, 각 층(막), 영역, 전극 또는 패턴들의 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 전극, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 대상체나 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. In the present invention, each layer (film), region, electrode, pattern or structures is formed on, "on" or "bottom" of the object, substrate, each layer (film), region, electrode or pattern. When referred to as being meant that each layer (film), region, electrode, pattern or structure is formed directly over or below the substrate, each layer (film), region or patterns, or other layer (film) Other regions, different electrodes, different patterns, or different structures may be additionally formed on the object or the substrate.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, But should not be construed as limited to the embodiments set forth in the claims.

즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. That is, the present invention may be modified in various ways and may have various forms. Specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

관통 비아 콘택Through Via Contact

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 관통 비아 콘택을 나타내는 단면도이다. 도 1b는 도 1a에 도시된 관통 비아 콘택을 나타내는 사시도이다.1A is a cross-sectional view illustrating a through via contact according to an embodiment of the present invention. FIG. 1B is a perspective view illustrating the through via contact illustrated in FIG. 1A.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 기판(10) 상에 회로 패턴(도시안됨)들이 구비된다. 상기 기판(10)은 반도체 물질로 이루어진 기판 일 수 있으며, 일 예로, 단결정 실리콘 기판일 수 있다. 상기 회로 패턴들은 반도체 단위 소자들을 포함한다. 일 예로, 상기 회로 패턴들은 트랜지스터, 다이오드 등을 포함할 수 있다. 상기 기판 상에는 상기 회로 패턴들을 덮는 층간 절연막(12)이 구비된다. 1A and 1B, circuit patterns (not shown) are provided on the substrate 10. The substrate 10 may be a substrate made of a semiconductor material. For example, the substrate 10 may be a single crystal silicon substrate. The circuit patterns include semiconductor unit devices. For example, the circuit patterns may include a transistor, a diode, and the like. An interlayer insulating layer 12 covering the circuit patterns is provided on the substrate.

상기 층간 절연막(12) 및 기판(10)에는, 상기 층간 절연막(12)을 관통하여 기판(10) 표면 아래까지 연장되는 비아홀(14)이 생성되어 있다. 상기 비아홀(14)의 깊이(h1)는 10 내지 100㎛이다. 바람직하게는, 상기 비아홀(14)은 30 내지 60㎛의 깊이를 갖는다. 또한, 상기 비아홀(14)의 직경은 5 내지 30㎛ 이며, 바람직하게는 10 내지 20㎛이다. In the interlayer insulating layer 12 and the substrate 10, a via hole 14 penetrating the interlayer insulating layer 12 and extending below the surface of the substrate 10 is formed. The depth h1 of the via hole 14 is 10 to 100 μm. Preferably, the via hole 14 has a depth of 30 to 60㎛. In addition, the diameter of the via hole 14 is 5 to 30㎛, preferably 10 to 20㎛.

상기 비아홀(14)의 측벽 및 저면 프로파일을 따라 절연막 패턴(16a)이 구비된다. 상기 절연막 패턴(16a)은 기판(10)과 비아홀(14) 내의 도전 물질 사이를 절연시키는 역할을 한다. 상기 절연막 패턴(16a)은 실리콘 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다. An insulating layer pattern 16a is provided along the sidewalls and the bottom profile of the via hole 14. The insulating layer pattern 16a insulates the conductive material between the substrate 10 and the via hole 14. It is preferable that the insulating film pattern 16a is made of silicon oxide.

상기 절연막 패턴(16a) 상에는 제1 베리어 금속막 패턴(도시안됨)이 구비된다. 상기 제1 베리어 금속막 패턴은 Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, Co 등의 물질로 이루어질 수 있다. 이들은 단독으로 사용되거나 또는 2 이상을 적층하여 사용할 수 있다. A first barrier metal film pattern (not shown) is provided on the insulating film pattern 16a. The first barrier metal film pattern may be formed of a material such as Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, Co, or the like. These may be used alone or in combination of two or more.

상기 제1 베리어 금속막 패턴 상에는 제1 시드 패턴(도시안됨)이 구비될 수 있다. 그러나, 상기 비아홀(14) 내에 형성되는 금속 물질의 종류 및 상기 금속 물질의 형성 방법에 따라 상기 제1 시드 패턴은 구비되지 않을 수도 있다. A first seed pattern (not shown) may be provided on the first barrier metal layer pattern. However, the first seed pattern may not be provided depending on the type of metal material formed in the via hole 14 and the method of forming the metal material.

상기 제1 베리어 금속막 패턴 상에는 상기 비아홀(14)의 측벽 및 저면 프로파일을 따라 제1 도전 패턴(18a)이 구비된다. 즉, 상기 도전 패턴(18a)은 실린더 형상을 갖는다. 상기 제1 도전 패턴(18a)은 저저항을 가져야 하므로, 금속 물질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 제1 도전 패턴(18a)은 구리(Cu)로 이루어질 수 있다. The first conductive pattern 18a is disposed on the first barrier metal layer pattern along the sidewalls and the bottom profile of the via hole 14. That is, the conductive pattern 18a has a cylindrical shape. Since the first conductive pattern 18a must have a low resistance, the first conductive pattern 18a may be formed of a metal material. For example, the first conductive pattern 18a may be made of copper (Cu).

상기 제1 도전 패턴(18a)의 상부면에는 제2 베리어 금속막 패턴(20a)이 구비 된다. 상기 제2 베리어 금속막 패턴(20a)은 Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, Co 등의 물질로 이루어질 수 있다. 이들은 단독으로 사용되거나 또는 2 이상을 적층하여 사용할 수 있다. 상기 제2 베리어 금속막 패턴(20a)은 상기 제1 도전 패턴(18a)과 비아홀(14) 내부에 채워지는 완충 패턴(22a)간의 반응을 방지하는 역할을 한다. The second barrier metal film pattern 20a is provided on an upper surface of the first conductive pattern 18a. The second barrier metal layer pattern 20a may be formed of a material such as Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, Co, or the like. These may be used alone or in combination of two or more. The second barrier metal layer pattern 20a prevents a reaction between the first conductive pattern 18a and the buffer pattern 22a filled in the via hole 14.

그런데, 상기 제1 도전 패턴(18a)과 완충 패턴(22a)으로 사용되는 물질에 따라, 상기 제1 도전 패턴(18a) 및 완충 패턴(22a)간의 반응이 거의 일어나지 않을 수도 있다. 이 경우에는, 상기 제2 베리어 금속막 패턴(20a)이 구비되지 않을 수도 있다. However, depending on the material used as the first conductive pattern 18a and the buffer pattern 22a, the reaction between the first conductive pattern 18a and the buffer pattern 22a may hardly occur. In this case, the second barrier metal film pattern 20a may not be provided.

상기 제1 도전 패턴(18a) 상에, 상기 비아홀(14) 내부의 일부만 채우는 완충 패턴(22a)이 구비된다. 즉, 상기 완충 패턴(22a)은 상기 비아홀(14) 내부의 중심 부위를 채우는 형상을 갖는다. A buffer pattern 22a is formed on the first conductive pattern 18a to fill only a portion of the inside of the via hole 14. That is, the buffer pattern 22a has a shape that fills the central portion of the via hole 14.

상기 완충 패턴(22a)은 기판을 이루는 실리콘(Si)과 상기 제1 도전 패턴(18a) 간의 열팽창 계수의 미스 매치(mismatch)를 완화시켜, 상기 제1 도전 패턴(18a)이 열팽창하여 상부로 돌출되는 것을 억제시킨다. 따라서, 상기 완충 패턴(22a)은 상기 제1 도전 패턴(18a)에 비해 낮은 열팽창 계수를 갖는 물질을 포함한다. 구체적으로, 상기 완충 패턴(22a)은 상온에서 16.7×10-6/℃ 이하의 열팽창 계수를 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 완충 패턴(22a)은 열을 가하였을 때 부피가 감소되는 특성을 갖는 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 완충 패턴(22a)은 도전 물질 또는 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 완충 패턴(22a)으로 사용될 수 있는 물질의 예로는 스핀온 글래스(SOG) 계열의 산화물, 플로우어블 실리콘(Flowable Si), 티타늄, 알루미늄, 다공성 물질(porous material) 등을 들 수 있다. The buffer pattern 22a mitigates a mismatch in thermal expansion coefficient between silicon (Si) constituting a substrate and the first conductive pattern 18a, so that the first conductive pattern 18a thermally expands to protrude upward. Suppresses Therefore, the buffer pattern 22a includes a material having a lower coefficient of thermal expansion than the first conductive pattern 18a. Specifically, the buffer pattern 22a is preferably made of a material having a coefficient of thermal expansion of 16.7 × 10 −6 / ° C. or less at room temperature. In addition, the buffer pattern 22a preferably includes a material having a property of decreasing volume when heat is applied. The buffer pattern 22a may be made of a conductive material or an insulating material. Examples of the material that may be used as the buffer pattern 22a include spin-on glass (SOG) -based oxides, flowable silicon, titanium, aluminum, porous materials, and the like.

상기 완충 패턴(22a)의 높이가 증가될수록 상기 완충 패턴(22a) 상에 위치하는 제2 도전 패턴(28a)의 높이(h2)는 감소하게 된다. 상기 제2 도전 패턴(28a)의 높이(h2)가 감소되면, 상기 제1 및 제2 도전 패턴(18a, 28a)이 층간 절연막(12) 상부로 돌출되는 문제가 감소된다. 그러므로, 상기 관통 비아 콘택(60)의 상부면이 돌출되는 문제가 완화되기 위해서는 상기 완충 패턴의 높이가 높아져야 한다. 그러나, 상기 완충 패턴(22a)의 높이가 과도하게 증가하게 되면, 상대적으로 제2 도전 패턴(28a)의 두께가 낮아져 관통 비아 콘택(60)의 저항이 증가될 수 있다. As the height of the buffer pattern 22a increases, the height h2 of the second conductive pattern 28a positioned on the buffer pattern 22a decreases. When the height h2 of the second conductive pattern 28a is reduced, the problem that the first and second conductive patterns 18a and 28a protrude above the interlayer insulating layer 12 is reduced. Therefore, in order to alleviate the problem that the top surface of the through via contact 60 protrudes, the height of the buffer pattern should be increased. However, if the height of the buffer pattern 22a is excessively increased, the thickness of the second conductive pattern 28a may be relatively low, thereby increasing the resistance of the through via contact 60.

따라서, 상기 완충 패턴(22a)의 높이는 상기 비아홀(14) 전체 깊이(h1)의 50%보다 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 완충 패턴(22a)이 형성된 상태에서의 비아홀(14) 내부의 깊이(h2)는 20㎛보다 작은 것이 바람직하다. Therefore, the height of the buffer pattern 22a is preferably higher than 50% of the total depth h1 of the via hole 14. In addition, the depth h2 of the inside of the via hole 14 when the buffer pattern 22a is formed is preferably smaller than 20 μm.

상기 완충 패턴(22a)의 상부면 및 상기 제1 도전 패턴(18a) 측벽 상에 제3 베리어 금속막 패턴(26a) 및 제2 시드 패턴(도시안됨)이 구비된다. 상기 제3 베리어 금속막 패턴(26a)은 Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, Co 등의 물질로 이루어질 수 있다. 이들은 단독으로 사용되거나 또는 2 이상을 적층하여 사용할 수 있다. 상기 제3 베리어 금속막 패턴(26a)은 상기 완충 패턴(22a)과 제2 도전 패턴(28a) 간의 반응을 방지하는 역할을 한다. A third barrier metal layer pattern 26a and a second seed pattern (not shown) are provided on an upper surface of the buffer pattern 22a and sidewalls of the first conductive pattern 18a. The third barrier metal layer pattern 26a may be formed of a material such as Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, Co, or the like. These may be used alone or in combination of two or more. The third barrier metal layer pattern 26a prevents a reaction between the buffer pattern 22a and the second conductive pattern 28a.

상기 완충 패턴(22a)과 제2 도전 패턴(28a)으로 사용되는 물질에 따라, 상기 완충 패턴(22a)과 제2 도전 패턴(28a) 간의 반응이 거의 일어나지 않을 수도 있다. 이 경우에는, 상기 제3 베리어 금속막 패턴(26a)이 구비되지 않을 수도 있다. Depending on the material used as the buffer pattern 22a and the second conductive pattern 28a, the reaction between the buffer pattern 22a and the second conductive pattern 28a may hardly occur. In this case, the third barrier metal film pattern 26a may not be provided.

상기 제2 시드 패턴 상에 제2 도전 패턴(28a)이 구비된다. 상기 제2 도전 패턴(28a)은 상기 제1 도전 패턴(18a)과 동일한 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 제2 도전 패턴(28a)은 상기 비아홀(14) 내에 구비되며, 상기 제2 도전 패턴(28a)의 상부면 및 비아홀(14)의 상부면은 서로 평탄하다. A second conductive pattern 28a is provided on the second seed pattern. The second conductive pattern 28a may be made of the same material as the first conductive pattern 18a. The second conductive pattern 28a is provided in the via hole 14, and the upper surface of the second conductive pattern 28a and the upper surface of the via hole 14 are flat to each other.

상기 제1 도전 패턴(18a), 제2 도전 패턴(28a) 및 상기 층간 절연막(12) 상에는 상기 제1 및 제2 도전 패턴(18a, 28a)을 보호하기 위한 캡핑막(29)이 구비될 수 있다. 상기 캡핑막(29)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다. A capping layer 29 may be provided on the first conductive pattern 18a, the second conductive pattern 28a, and the interlayer insulating layer 12 to protect the first and second conductive patterns 18a and 28a. have. The capping layer 29 may be made of silicon nitride.

본 실시예에 따른 관통 비아 콘택(60)은 제1 도전 패턴(18a) 및 제2 도전 패턴(28a)에 의해 비아홀(14)의 측벽, 저면 및 상부면이 둘러싸여 있는 형상을 갖는다. 또한, 상기 관통 비아 콘택(60)의 내부의 중심에는 완충 패턴(22a)이 구비된다. The through via contact 60 according to the present exemplary embodiment has a shape in which a sidewall, a bottom surface, and an upper surface of the via hole 14 are surrounded by the first conductive pattern 18a and the second conductive pattern 28a. In addition, a buffer pattern 22a is provided at the center of the through via contact 60.

이와같이, 상기 관통 비아 콘택에 완충 패턴이 포함됨으로써 상기 관통 비아 콘택 내에 포함되어 있는 제1 및 제2 도전 패턴의 열팽창을 억제시킬 수 있다. 따라서, 상기 제1 및 제2 도전 패턴이 상기 층간 절연막 상부면보다 높게 돌출됨으로써, 상기 캡핑막이 리프팅되거나, 끊어지거나, 균열이 생기는 등의 문제를 억제할 수 있다. As such, by including a buffer pattern in the through via contact, thermal expansion of the first and second conductive patterns included in the through via contact may be suppressed. Therefore, the first and second conductive patterns protrude higher than the upper surface of the interlayer insulating film, thereby preventing problems such as lifting, breaking, or cracking of the capping film.

도 2 내지 도 8은 도 1a 및 도 1b에 도시된 관통 비아 콘택의 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.2 through 8 are cross-sectional views illustrating a method of forming the through via contact shown in FIGS. 1A and 1B.

도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 회로 패턴(도시안됨)들을 형성한다. 또한, 상기 기판(10) 상에 상기 회로 패턴들을 덮는 층간 절연막(12)을 형성한다. 일 예로, 상기 기판(10)에는 FEOL(front-end-of-line) CMOS 공정들을 수행할 수 있다. Referring to FIG. 2, circuit patterns (not shown) are formed on the substrate 10. In addition, an interlayer insulating layer 12 covering the circuit patterns is formed on the substrate 10. For example, the substrate 10 may perform front-end-of-line (FEOL) CMOS processes.

상기 층간 절연막(12) 상에 포토레지스트막(도시안됨)을 형성하고, 상기 포토레지스트막을 패터닝하여 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴은 약 2 내지 5㎛의 두께를 가질 수 있다. A photoresist film (not shown) is formed on the interlayer insulating film 12, and the photoresist film is patterned to form a photoresist pattern. The photoresist pattern may have a thickness of about 2 to 5㎛.

상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 층간 절연막 (12) 및 기판(10)을 건식 식각한다. 이로써, 상기 층간 절연막(12)을 관통하고 기판(10) 표면 아래까지 연장되는 비아홀(14)을 형성한다. 상기 비아홀(14) 내에는 후속 공정을 통해 관통 비아 콘택이 형성된다. The interlayer insulating layer 12 and the substrate 10 are dry etched using the photoresist pattern as an etching mask. As a result, the via hole 14 penetrates the interlayer insulating layer 12 and extends below the surface of the substrate 10. Through via contacts are formed in the via holes 14 through a subsequent process.

상기 비아홀(14)의 깊이가 10㎛보다 작으면, 관통 비아 콘택의 깊이가 너무 작아져 적층형 반도체 소자로 제조되기가 어렵다. 또한, 상기 비아홀(14)의 깊이가 100㎛보다 크면, 상기 비아홀(14) 내부에 도전 물질을 채우는 것이 용이하지 않다. 그러므로, 상기 비아홀(14)은 10 내지 100㎛의 깊이를 가지며, 바람직하게는 30 내지 60㎛의 깊이를 갖는다. If the depth of the via hole 14 is smaller than 10 μm, the depth of the through via contact is too small, making it difficult to manufacture a stacked semiconductor device. In addition, when the depth of the via hole 14 is greater than 100 μm, it is not easy to fill a conductive material in the via hole 14. Therefore, the via hole 14 has a depth of 10 to 100 mu m, and preferably has a depth of 30 to 60 mu m.

상기 비아홀(14)의 직경이 5㎛보다 작으면 비아홀(14) 내부에 도전 물질을 채우는 것이 용이하지 않다. 또한, 상기 비아홀(14)의 직경이 30㎛ 크면, 상기 비아홀(14)이 차지하는 수평 면적이 증가되어 바람직하지 않다. 그러므로, 상기 비아홀(14)은 5 내지 30㎛의 직경을 가지며, 바람직하게는 10 내지 20㎛의 직경을 갖는 다. When the diameter of the via hole 14 is smaller than 5 μm, it is not easy to fill the conductive material in the via hole 14. In addition, when the diameter of the via hole 14 is 30 μm, the horizontal area occupied by the via hole 14 is increased, which is not preferable. Therefore, the via hole 14 has a diameter of 5 to 30 μm, preferably 10 to 20 μm.

상기 비아홀(14)을 형성한 다음에, 상기 포토레지스트 패턴을 제거한다. After the via hole 14 is formed, the photoresist pattern is removed.

도 3을 참조하면, 상기 비아홀(14) 측벽 및 저면의 프로파일을 따라 절연막(16)을 형성한다. 상기 절연막(16)은 상기 기판(10)과 비아홀(14) 내의 도전 물질을 절연시킨다. 상기 절연막(16)은 1 내지 3㎛의 두께로 형성할 수 있다. Referring to FIG. 3, the insulating layer 16 is formed along the profile of the sidewalls and the bottom surface of the via hole 14. The insulating layer 16 insulates the conductive material in the substrate 10 and the via hole 14. The insulating layer 16 may be formed to a thickness of 1 to 3㎛.

상기 절연막(16) 상에 제1 베리어 금속막(도시안됨)을 형성한다. 상기 제1 베리어 금속막은 Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, Co 등의 물질로 형성할 수 있다. 상기 제1 베리어 금속막은 100 내지 3000Å의 두께로 형성할 수 있다. A first barrier metal film (not shown) is formed on the insulating film 16. The first barrier metal film may be formed of a material such as Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, Co, or the like. The first barrier metal film may be formed to a thickness of 100 to 3000 kPa.

상기 제1 베리어 금속막 상에 제1 시드막(도시안됨)을 형성한다. 상기 제1 시드막은 후속의 제1 도전막을 형성하기 위한 도금 공정에서 전극으로 사용되는 막이다. 본 실시예에서, 상기 제1 시드막은 물리 기상증착법을 통해 구리를 증착시켜 형성할 수 있다. A first seed layer (not shown) is formed on the first barrier metal layer. The first seed film is a film used as an electrode in a plating process for forming a subsequent first conductive film. In the present embodiment, the first seed layer may be formed by depositing copper through physical vapor deposition.

상기 제1 시드막 상에 상기 비아홀(14)의 측벽 및 저면 프로파일을 따라 제1 도전막(18)을 형성한다. 상기 제1 도전막(18)의 두께를 조절함으로써, 관통 비아 콘택의 저항을 조절할 수 있다. 상기 제1 도전막(18)은 저저항의 금속 물질로 형성된다. 본 실시예에서, 상기 제1 도전막(18)은 전해 도금법에 의해 구리를 증착시켜 형성한다. A first conductive layer 18 is formed on the first seed layer along sidewalls and a bottom profile of the via hole 14. By adjusting the thickness of the first conductive layer 18, the resistance of the through via contact may be adjusted. The first conductive film 18 is formed of a low resistance metal material. In the present embodiment, the first conductive film 18 is formed by depositing copper by electroplating.

도 4를 참조하면, 상기 제1 도전막(18) 상에 제2 베리어 금속막(20)을 형성한다. 상기 제2 베리어 금속막(20)은 Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, Co 등의 물질로 형성할 수 있다. 상기 제2 베리어 금속막(20)은 100 내지 3000Å의 두께로 형성할 수 있다. Referring to FIG. 4, a second barrier metal film 20 is formed on the first conductive film 18. The second barrier metal film 20 may be formed of a material such as Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, Co, or the like. The second barrier metal film 20 may be formed to a thickness of 100 to 3000 kPa.

도 5를 참조하면, 상기 제2 베리어 금속막(20) 상에 상기 비아홀(14) 내부를 완전하게 채우도록 완충막(22)을 형성한다. 상기 완충막(22)은 상기 제1 도전막(18)에 비해 열팽창 계수가 낮은 물질을 포함한다. 상기 완충막(22)은 열을 가하였을 때 부피가 감소되는 특징을 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 완충막(22)은 실리콘, 실리콘 산화물 또는 금속 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 완충막(22)은 높은 종횡비를 갖는 비아홀(14) 내부에 보이드없이 채워져야 한다. 그러므로, 상기 완충막(22)은 갭 매립 특성이 우수한 물질로 형성하여야 한다. 상기 완충막(22)으로 사용될 수 있는 물질의 예로는, 스핀온 글래스 계열의 산화물, 플로우어블 실리콘, 티타늄, 알루미늄, 다공성 물질 등을 들 수 있다. Referring to FIG. 5, a buffer layer 22 is formed on the second barrier metal layer 20 so as to completely fill the via hole 14. The buffer layer 22 may include a material having a lower coefficient of thermal expansion than the first conductive layer 18. The buffer film 22 is preferably made of a material having a characteristic that the volume is reduced when heat is applied. The buffer layer 22 may include silicon, silicon oxide, or a metal material. In addition, the buffer layer 22 should be filled without voids in the via hole 14 having a high aspect ratio. Therefore, the buffer film 22 should be formed of a material having excellent gap filling properties. Examples of the material that can be used as the buffer layer 22 include spin-on-glass oxides, flowable silicon, titanium, aluminum, porous materials, and the like.

도 6을 참조하면, 상기 완충막(22)을 식각하여 상기 비아홀(14) 내부(24)에 완충 패턴(22a)을 형성한다. 상기 완충막(22)은 이방성 식각 공정 또는 등방성 식각 공정으로 식각될 수 있다. 상기 완충 패턴(22a)은 층간 절연막(12)의 상부면보다 낮은 상부면을 갖도록 형성되여야 한다. Referring to FIG. 6, the buffer layer 22 is etched to form a buffer pattern 22a in the inside of the via hole 14. The buffer layer 22 may be etched by an anisotropic etching process or an isotropic etching process. The buffer pattern 22a should be formed to have a lower upper surface than the upper surface of the interlayer insulating layer 12.

상기 완충 패턴(22a)은 상기 비아홀(14) 전체 깊이의 50%보다 높은 높이를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 완충 패턴(22a)이 형성된 상태에서의 비아홀(14) 내부의 깊이는 20㎛보다 작은 것이 바람직하다. The buffer pattern 22a preferably has a height higher than 50% of the total depth of the via hole 14. In addition, it is preferable that the depth of the inside of the via hole 14 in the state where the buffer pattern 22a is formed is smaller than 20 μm.

도 7을 참조하면, 상기 완충 패턴(22a) 및 상기 완충 패턴(22a) 위로 노출된 제2 베리어 금속막(20) 상에 제3 베리어 금속막(26)을 형성한다. 상기 제3 베리어 금속막(26)은 Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, Co 등의 물질로 형성할 수 있다. 상기 제3 베 리어 금속막(26)은 100 내지 3000Å의 두께로 형성할 수 있다. Referring to FIG. 7, a third barrier metal layer 26 is formed on the buffer pattern 22a and the second barrier metal layer 20 exposed on the buffer pattern 22a. The third barrier metal layer 26 may be formed of a material such as Ta, TaN, Ti, TiN, Ru, Co, or the like. The third barrier metal film 26 may be formed to a thickness of 100 to 3000 kPa.

상기 제3 베리어 금속막(26) 상에 제2 시드막(도시안됨)을 형성한다. 본 실시예에서, 상기 제2 시드막은 물리 기상증착법을 통해 구리를 증착시켜 형성할 수 있다.A second seed layer (not shown) is formed on the third barrier metal layer 26. In the present embodiment, the second seed layer may be formed by depositing copper through physical vapor deposition.

도 8을 참조하면, 상기 제2 시드막 상에 상기 비아홀(14) 내부를 완전히 채우는 제2 도전막(28)을 형성한다. 상기 제2 도전막(28)은 상기 제1 도전막(18)과 동일한 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서, 상기 제2 도전막(28)은 전해 도금법에 의해 구리를 증착시켜 형성한다. Referring to FIG. 8, a second conductive layer 28 is formed on the second seed layer to completely fill the via hole 14. The second conductive film 28 is preferably formed of the same material as the first conductive film 18. In the present embodiment, the second conductive film 28 is formed by depositing copper by electroplating.

다시, 도 1을 참조하면, 상기 층간 절연막(12)의 상부면이 노출되도록 상기 제2 도전막(28), 제1 도전막(18), 제1 내지 제3 베리어 금속막(20, 26)을 화학기계적 연마 공정을 통해 연마한다. 상기 공정을 통해, 제1 도전 패턴(18a), 제2 도전 패턴(28a), 제1 베리어 금속막 패턴, 제2 베리어 금속막 패턴(20a), 제3 베리어 금속막 패턴(26a), 절연막 패턴(16a) 및 완충 패턴(22a)을 포함하는 관통 비아 콘택(60)이 완성된다. 이 후, 상기 층간 절연막(12), 제1 및 제2 도전 패턴(18a, 28a), 제2 및 제3 베리어 금속막 패턴(20a, 26a)을 덮는 캡핑막(29)을 형성한다. 상기 캡핑막(29)은 실리콘 질화물을 포함한다. Referring back to FIG. 1, the second conductive layer 28, the first conductive layer 18, and the first to third barrier metal layers 20 and 26 are exposed to expose the upper surface of the interlayer insulating layer 12. Is polished through a chemical mechanical polishing process. Through the above process, the first conductive pattern 18a, the second conductive pattern 28a, the first barrier metal film pattern, the second barrier metal film pattern 20a, the third barrier metal film pattern 26a, and the insulating film pattern The through via contact 60 including the 16a and the buffer pattern 22a is completed. Thereafter, a capping layer 29 is formed to cover the interlayer insulating layer 12, the first and second conductive patterns 18a and 28a, and the second and third barrier metal layer patterns 20a and 26a. The capping layer 29 includes silicon nitride.

본 실시예와 달리, 일반적인 구조의 관통 비아 콘택(도 14 참조)은 비아홀 전체에 구리를 채워진 형상을 갖는다. 상기 일반적인 구조를 갖는 관통 비아 콘택에 400℃이상의 고온 공정을 진행하면, 상기 관통 비아 콘택에 채워진 구리가 0.5㎛ 이상으로 돌출된다. 더구나, 돌출부위의 수평 면적이 상기 비아홀의 직경과 동 일하므로, 수 ㎛의 면적만큼 돌출되어 상기 관통 비아 콘택 상에 형성된 박막들이 리프팅되는 등의 문제가 발생하게 된다.Unlike the present embodiment, the through via contact (see FIG. 14) having a general structure has a shape in which copper is filled in the entire via hole. When a high temperature process of 400 ° C. or more is performed on the through via contact having the general structure, copper filled in the through via contact protrudes to 0.5 μm or more. In addition, since the horizontal area of the protruding portion is the same as the diameter of the via hole, a problem of protruding by an area of several μm to lift thin films formed on the through via contact occurs.

그런데, 본 실시예의 관통 비아 콘택(60) 내에는 완충 패턴(22a)이 포함되어 있어, 상기 제1 도전 패턴(18a)이 열팽창되는 것을 완화시킬 수 있다. 그러므로, 후속에 400℃이상의 고온 공정이 진행되더라도 상기 관통 비아 콘택(60)의 상부면이 돌출되는 문제를 감소시킬 수 있다.However, the buffer via 22a is included in the through via contact 60 according to the present exemplary embodiment, thereby reducing thermal expansion of the first conductive pattern 18a. Therefore, even if a high temperature process of 400 ° C. or more is subsequently performed, the problem of protruding the top surface of the through via contact 60 may be reduced.

또한, 상기 관통 비아 콘택(60)에 채워지는 도전 물질의 높이가 높아질수록 상기 도전 물질이 후속 열처리 공정에 의해 돌출되는 높이가 증가된다. 그런데, 본 실시예에 따른 관통 비아 콘택(60)의 제2 도전 패턴(28a)은 상기 비아홀(14)의 깊이에 비해 매우 낮은 높이를 갖는다. 때문에, 후속 열처리 공정을 통해 상기 제2 도전 패턴(28a)이 열팽창되어 돌출되는 높이가 감소된다. In addition, as the height of the conductive material filled in the through via contact 60 increases, the height at which the conductive material protrudes by a subsequent heat treatment process increases. However, the second conductive pattern 28a of the through via contact 60 according to the present exemplary embodiment has a height which is very low compared to the depth of the via hole 14. Therefore, the height at which the second conductive pattern 28a thermally expands and protrudes through a subsequent heat treatment process is reduced.

그러므로, 본 실시예에 의하면, 상기 관통 비아 콘택의 상부면이 돌출됨으로써 관통 비아 콘택 상에 위치하는 상부막이 리프팅되거나 끊어지는 등의 문제를 효과적으로 감소시킬 수 있다. Therefore, according to the present exemplary embodiment, the upper surface of the through via contact may protrude, thereby effectively reducing a problem such as lifting or breaking of the upper layer positioned on the through via contact.

반도체 소자Semiconductor device

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 반도체 소자를 나타내는 단면도들이다.9 is a cross-sectional view illustrating a stacked semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.

상기 적층형 반도체 소자에는 관통 비아 콘택이 포함된다. The stacked semiconductor device includes a through via contact.

도 9를 참조하면, 적층형 반도체 소자는 제1 반도체 칩(50), 제2 반도체 칩(150) 및 접촉 부재(110)를 포함한다. Referring to FIG. 9, the stacked semiconductor device includes a first semiconductor chip 50, a second semiconductor chip 150, and a contact member 110.

상기 제1 반도체 칩(50)은 제1 기판(10a), 상기 제1 기판(10a) 상에 구비되는 회로 패턴들(30), 배선들(32) 및 제1 층간 절연막들(34), 상기 제1 기판(10a)을 관통하는 관통 비아 콘택(60a) 및 상기 관통 비아 콘택(60a)과 전기적으로 연결되는 제1 패드 전극(42)을 포함한다. The first semiconductor chip 50 may include a first substrate 10a, circuit patterns 30, wires 32, and first interlayer insulating layers 34 provided on the first substrate 10a. A through via contact 60a penetrating through the first substrate 10a and a first pad electrode 42 electrically connected to the through via contact 60a are included.

상기 회로 패턴들(30)은 트랜지스터, 다이오드 등을 포함할 수 있다. 상기 배선들(32)은 콘택, 패드 및 도전 라인 등을 포함할 수 있다. 상기 제1 반도체 칩(50)에 포함되는 소자는 메모리 소자 또는 로직 소자일 수 있다. 다른 예로, 상기 제1 반도체 칩(50)에 포함되는 소자는 이미지 소자일 수도 있다. The circuit patterns 30 may include a transistor, a diode, and the like. The wires 32 may include a contact, a pad, a conductive line, and the like. The device included in the first semiconductor chip 50 may be a memory device or a logic device. As another example, the device included in the first semiconductor chip 50 may be an image device.

상기 제1 기판(10a)은 단결정 실리콘 기판일 수 있다. 상기 제1 기판(10a)은 10 내지 100㎛의 두께를 갖는다. 상기 제1 기판(10a)의 저면이 관통 비아 콘택(60a)의 저면과 동일한 평면에 위치하거나 또는 상기 관통 비아 콘택(60a)의 저면보다 낮게 위치할 수 있다. The first substrate 10a may be a single crystal silicon substrate. The first substrate 10a has a thickness of 10 to 100 μm. The bottom surface of the first substrate 10a may be positioned on the same plane as the bottom surface of the through via contact 60a or lower than the bottom surface of the through via contact 60a.

이하에서는, 상기 제1 기판(10a)을 관통하는 관통 비아 콘택을 설명한다. Hereinafter, the through via contact penetrating the first substrate 10a will be described.

상기 제1 기판(10a) 상부면으로부터 저면까지 연장되어 상기 제1 기판(10a)을 관통하는 비아홀(14)이 구비된다. 상기 비아홀(14)은 5 내지 30㎛의 직경을 가지며, 바람직하게는 10 내지 20㎛의 직경을 갖는다. A via hole 14 extending from the top surface of the first substrate 10a to the bottom surface and penetrating the first substrate 10a is provided. The via hole 14 has a diameter of 5 to 30 μm, preferably 10 to 20 μm.

상기 비아홀(14)의 측벽에는 분리막 패턴(16b)이 구비된다. 상기 분리막 패턴(16b)은 상기 비아홀(14)의 저면에는 구비되지 않는다. 즉, 상기 분리막 패턴(16b)은 상, 하부면이 오픈된 원통 형상을 갖는다. 상기 분리막 패턴(16b) 상에 제1 베리어 금속막 패턴(도시안됨) 및 제1 시드 패턴(도시안됨)이 구비된다. A separator pattern 16b is provided on a sidewall of the via hole 14. The separator pattern 16b is not provided on the bottom surface of the via hole 14. That is, the separator pattern 16b has a cylindrical shape with upper and lower surfaces open. A first barrier metal layer pattern (not shown) and a first seed pattern (not shown) are provided on the separator pattern 16b.

상기 제1 시드 패턴 상에 상기 비아홀(14) 측벽 및 비아홀(14) 저면부를 덮는 실린더 형상의 제1 도전 패턴(18a)이 구비된다. 즉, 상기 실린더 형상의 제1 도전 패턴(18a)의 저면에 의해 상기 비아홀(14)의 저면이 막혀진 형상을 갖는다. 즉, 상기 제1 도전 패턴(18a)의 저면은 상기 제1 기판(10a)의 저면과 동일한 평면 상에 위치하거나 상기 제1 기판(10a)의 저면을 통해 돌출되는 형상을 갖는다. 그러므로, 상기 제1 기판(10a)의 저면을 통해 상기 제1 도전 패턴(18a)의 저면이 노출되는 형상을 갖는다. 상기 제1 도전 패턴(18a)은 금속 물질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 제1 도전 패턴(18a)은 구리로 이루어질 수 있다.A cylindrical first conductive pattern 18a covering the sidewalls of the via holes 14 and the bottom surface of the via holes 14 is provided on the first seed pattern. That is, the bottom surface of the via hole 14 is blocked by the bottom surface of the cylindrical first conductive pattern 18a. That is, the bottom surface of the first conductive pattern 18a may be positioned on the same plane as the bottom surface of the first substrate 10a or protrude through the bottom surface of the first substrate 10a. Therefore, the bottom surface of the first conductive pattern 18a is exposed through the bottom surface of the first substrate 10a. The first conductive pattern 18a may be made of a metal material. For example, the first conductive pattern 18a may be made of copper.

상기 제1 도전 패턴(18a) 상부면에 제2 베리어 금속막 패턴(20a)이 구비된다. 상기 제2 베리어 금속막 패턴(20a) 상에는 상기 비아홀(14) 내부의 일부만 채우는 완충 패턴(22a)이 구비된다. 상기 완충 패턴(22a)은 도 1a 및 도 1b를 참조로 설명한 것과 동일한 구성을 가질 수 있다. The second barrier metal film pattern 20a is disposed on an upper surface of the first conductive pattern 18a. A buffer pattern 22a filling only a portion of the inside of the via hole 14 is provided on the second barrier metal layer pattern 20a. The buffer pattern 22a may have the same configuration as described with reference to FIGS. 1A and 1B.

상기 완충 패턴(22a) 상부면 및 상기 제1 도전 패턴(18a) 측벽 상에 제3 베리어 금속막 패턴(26a) 및 제2 시드 패턴(도시안됨)이 구비된다. 또한, 상기 제2 시드 패턴 상에 상기 비아홀(14)을 채우는 제2 도전 패턴(28a)이 구비된다. A third barrier metal layer pattern 26a and a second seed pattern (not shown) are disposed on an upper surface of the buffer pattern 22a and sidewalls of the first conductive pattern 18a. In addition, a second conductive pattern 28a filling the via hole 14 is provided on the second seed pattern.

설명한 것과 같이, 상기 기판을 관통하는 비아홀(14) 내에 관통 비아 콘택(60a)이 구비된다. 즉, 본 실시예에 따른, 상기 관통 비아 콘택(60a)은 상기 비아홀(14)의 저면에 분리막 패턴(16a)이 구비되지 않고, 상기 제1 도전 패턴(18a)의 저면이 노출되는 것을 제외하고는 도 1a 및 도 1b에 도시된 관통 비아 콘택과 동일 하다. As described above, a through via contact 60a is provided in the via hole 14 penetrating the substrate. That is, in the through via contact 60a according to the present exemplary embodiment, the separation pattern 16a is not provided on the bottom of the via hole 14, except that the bottom surface of the first conductive pattern 18a is exposed. Is the same as the through via contact shown in FIGS. 1A and 1B.

상기 관통 비아 콘택(60a) 및 최상부에 위치한 제1 층간 절연막(34) 상에는 캡핑막(36)이 구비된다. 상기 캡핑막(36)은 상기 관통 비아 콘택(60a)에 포함되는 금속의 확산을 방지하고, 상기 관통 비아 콘택(60a)을 보호하는 역할을 한다. 또한, 상기 캡핑막(36)은 식각 저지막으로의 역할을 한다. 상기 캡핑막(36)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다. A capping layer 36 is provided on the through via contact 60a and the first interlayer insulating layer 34 positioned at the top thereof. The capping layer 36 prevents diffusion of metal included in the through via contact 60a and protects the through via contact 60a. In addition, the capping layer 36 serves as an etch stop layer. The capping layer 36 may be made of silicon nitride.

상기 캡핑막(36) 상에는 상부 층간 절연막(38)이 구비된다. 상기 상부 층간 절연막(38) 및 캡핑막(36)을 관통하여, 상기 관통 비아 콘택(60a)의 상부면과 접촉하는 콘택 플러그(40)가 구비된다. An upper interlayer insulating layer 38 is provided on the capping layer 36. A contact plug 40 penetrates the upper interlayer insulating layer 38 and the capping layer 36 and contacts the upper surface of the through via contact 60a.

상기 콘택 플러그(40) 상에는 외부로부터 신호가 인가되는 제1 패드 전극(42)이 구비될 수 있다. 상기 상부 층간 절연막(38) 및 제1 패드 전극(42) 상에는 제1 보호막 패턴(44)이 구비된다. 상기 제1 보호막 패턴(44)은 폴리이미드 물질로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 제1 패드 전극(42)에서 전기적 연결이 이루어지는 부위에는 상기 제1 보호막 패턴(44)이 형성되어 있지 않다. 도시하지는 않았지만, 상기 제1 패드 전극(42)은 인쇄 회로 기판과 접촉되거나 또는 와이어 본딩에 의해 리드 프레임과 전기적으로 연결될 수 있다. The first pad electrode 42 may be provided on the contact plug 40 to which a signal is applied from the outside. A first passivation layer pattern 44 is provided on the upper interlayer insulating layer 38 and the first pad electrode 42. The first passivation layer pattern 44 may be made of a polyimide material. In this case, the first passivation layer pattern 44 is not formed at a portion where the electrical connection is made in the first pad electrode 42. Although not shown, the first pad electrode 42 may be in contact with the printed circuit board or electrically connected to the lead frame by wire bonding.

한편, 제2 반도체 칩(150)은 제2 기판(100), 상기 제2 기판(100) 상에 구비되는 회로 패턴들(102), 배선들(104), 제2 층간 절연막들(106), 상기 관통 비아 콘택(60a)을 통해 신호가 인가되는 제2 패드 전극(108)을 포함한다. Meanwhile, the second semiconductor chip 150 may include a second substrate 100, circuit patterns 102, wirings 104, second interlayer insulating layers 106, and the like provided on the second substrate 100. And a second pad electrode 108 to which a signal is applied through the through via contact 60a.

상기 제2 반도체 칩(150)에 포함된 반도체 소자는 상기 제1 반도체 칩(50)에 포함된 것과 동일한 반도체 소자일 수도 있고, 서로 다른 반도체 소자일 수도 있다. The semiconductor device included in the second semiconductor chip 150 may be the same semiconductor device as that included in the first semiconductor chip 50 or may be different semiconductor devices.

도시된 것과 같이, 상기 최상부에 형성된 제2 층간 절연막(106)에는 하부 배선들(104)과 연결되는 제2 패드 전극(108)이 구비된다. 상기 제2 패드 전극(108)은 상기 제1 기판(10a)의 관통 비아 콘택(60a)의 저면과 접합되어 전기적으로 연결되어 있다. As illustrated, the second interlayer insulating layer 106 formed on the uppermost portion is provided with a second pad electrode 108 connected to the lower interconnections 104. The second pad electrode 108 is bonded to and electrically connected to the bottom surface of the through via contact 60a of the first substrate 10a.

상기 최상부의 제2 층간 절연막(106) 및 제2 패드 전극(108) 상에는 제2 보호막 패턴(109)이 구비된다. 상기 제2 보호막 패턴(109)은 폴리이미드 물질로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 제2 패드 전극(108)에서 상기 관통 비아 콘택(60a)과 접촉되는 부위에는 상기 제2 보호막 패턴(109)이 구비되지 않는다. The second passivation layer pattern 109 is disposed on the uppermost second interlayer insulating layer 106 and the second pad electrode 108. The second passivation pattern 109 may be made of a polyimide material. In this case, the second passivation layer pattern 109 is not provided at a portion of the second pad electrode 108 that contacts the through via contact 60a.

상기 제1 반도체 칩(50)에 포함된 관통 비아 콘택(60a)과 상기 제2 반도체 칩(150)에 포함된 제2 패드 전극(108) 사이에는 도전성을 갖는 접촉 부재(110)가 개재되고, 상기 접촉 부재(110)에 의해 상기 관통 비아 콘택(60a) 및 제2 패드 전극(108)이 접착되어 있다. 상기 접촉 부재로 사용될 수 있는 물질의 예로는 은(Ag) 솔더 페이스트를 들 수 있다.A conductive contact member 110 is interposed between the through via contact 60a included in the first semiconductor chip 50 and the second pad electrode 108 included in the second semiconductor chip 150. The through via contact 60a and the second pad electrode 108 are bonded to each other by the contact member 110. Examples of the material that can be used as the contact member include silver (Ag) solder paste.

즉, 본 실시예에 따른 반도체 소자는 제1 및 제2 칩이 적층된 구조를 가지며, 관통 비아 콘택을 통해 상기 제1 및 제2 칩이 전기적으로 연결된다. 또한, 본 실시예에 따른 적층형 소자는 열적 안정성이 우수한 관통 비아 콘택을 포함함으로써, 높은 신뢰성을 갖는다. That is, the semiconductor device according to the present exemplary embodiment has a structure in which first and second chips are stacked, and the first and second chips are electrically connected through through via contacts. In addition, the stacked device according to the present exemplary embodiment includes a through via contact having excellent thermal stability, thereby having high reliability.

도 10 내지 도 14는 도 9에 도시된 적층형 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.10 to 14 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the stacked semiconductor device illustrated in FIG. 9.

도 10을 참조하면, 예비 제1 기판(9) 상에 회로 패턴들(30), 배선들(32) 및 제1 층간 절연막들(34)을 형성한다. 또한, 상기 제1 층간 절연막들(34)을 관통하고, 상기 예비 제1 기판(9) 아래로 연장되는 예비 관통 비아 콘택(59)을 형성한다. 상기 예비 관통 비아 콘택(59)은 실시예 1의 관통 비아 콘택과 동일한 구조를 가지며 상기 실시예 1의 관통 비아 콘택 형성 방법과 동일한 방법을 통해 형성한다. Referring to FIG. 10, circuit patterns 30, wires 32, and first interlayer insulating layers 34 are formed on the preliminary first substrate 9. In addition, a preliminary through via contact 59 penetrates through the first interlayer insulating layers 34 and extends below the preliminary first substrate 9. The preliminary through via contact 59 has the same structure as the through via contact of the first embodiment and is formed through the same method as the through via contact forming method of the first embodiment.

도 11을 참조하면, 최상부의 제1 층간 절연막(34) 및 예비 관통 비아 콘택(59)을 덮는 캡핑막(36)을 형성한다. 상기 캡핑막(36)은 300 내지 1000Å의 두께로 형성할 수 있다. Referring to FIG. 11, a capping layer 36 covering the uppermost first interlayer insulating layer 34 and the preliminary through via contact 59 is formed. The capping layer 36 may be formed to a thickness of 300 to 1000 kPa.

상기 캡핑막(36) 상에 상부 층간 절연막(38)을 형성한다. 상기 상부 층간 절연막(38)은 1층으로 형성될 수도 있고, 2층 이상으로 형성될 수도 있다. An upper interlayer insulating layer 38 is formed on the capping layer 36. The upper interlayer insulating layer 38 may be formed of one layer or two or more layers.

상기 예비 관통 비아 콘택(59)의 경우 완충 패턴(22a)을 포함하고 있어, 상기 예비 관통 비아 콘택(59)이 상부로 거의 돌출되지 않는다. 때문에, 상기 예비 관통 비아 콘택(59)을 덮는 캡핑막(36) 및 상부 층간 절연막(38)이 리프팅되거나 끊어지지 않고 정상적으로 형성될 수 있다. The preliminary through via contact 59 includes a buffer pattern 22a, so that the preliminary through via contact 59 hardly protrudes upward. Therefore, the capping layer 36 and the upper interlayer insulating layer 38 covering the preliminary through via contact 59 may be normally formed without being lifted or broken.

도 12를 참조하면, 상기 상부 층간 절연막(38) 및 캡핑막(36)의 일부분을 식각함으로써 상기 예비 관통 비아 콘택(59)의 상부면을 노출하는 콘택홀을 형성한다. 계속하여, 상기 콘택홀 내부에 도전 물질을 채워넣고 평탄화함으로써, 상기 콘택홀 내에 콘택 플러그(40)를 형성한다. 상기 도전 물질은 저저항을 갖는 금속을 포함한다. Referring to FIG. 12, a portion of the upper interlayer insulating layer 38 and the capping layer 36 is etched to form a contact hole exposing an upper surface of the preliminary through via contact 59. Subsequently, a contact plug 40 is formed in the contact hole by filling and planarizing a conductive material in the contact hole. The conductive material includes a metal having low resistance.

상기 콘택 플러그(40)와 접촉하면서 상기 상부 층간 절연막(38) 상에 제1 패드 전극(42)을 형성한다. 상기 제1 패드 전극(42)은 저저항을 갖는 금속 물질을 형성하고 패터닝함으로써 형성할 수 있다. The first pad electrode 42 is formed on the upper interlayer insulating layer 38 while contacting the contact plug 40. The first pad electrode 42 may be formed by forming and patterning a metal material having low resistance.

상기 제1 패드 전극(42) 및 상기 상부 층간 절연막(38)을 덮는 제1 보호막(도시안됨)을 형성한다. 다음에, 상기 제1 패드 전극(42)에서 신호가 인가되는 부위의 상부면에 위치하는 제1 보호막을 제거하여 제1 보호막 패턴(44)을 형성한다. A first passivation layer (not shown) is formed to cover the first pad electrode 42 and the upper interlayer insulating layer 38. Next, the first passivation layer disposed on the upper surface of the portion where the signal is applied from the first pad electrode 42 is removed to form the first passivation layer pattern 44.

도 13을 참조하면, 저면에 상기 제1 도전 패턴(18a)이 노출되도록 상기 예비 제1 기판(9)의 저면을 그라인딩 및 제거한다. 상기 공정을 통해, 제1 기판(10a) 및 관통 비아 콘택(60a)을 형성한다. Referring to FIG. 13, the bottom surface of the preliminary first substrate 9 is ground and removed to expose the first conductive pattern 18a on the bottom surface. Through the above process, the first substrate 10a and the through via contact 60a are formed.

구체적으로, 상기 예비 관통 비아 콘택(59)의 저면과 상기 예비 제1 기판(9)의 저면 사이의 거리가 수㎛ 정도로 가까워지도록 상기 예비 제1 기판(9)을 그라인딩한다. 계속하여, 상기 예비 관통 비아 콘택(59) 저면의 절연막 패턴(16a)이 노출되도록 예비 제1 기판(9)을 식각한다. 다음에, 상기 저면에 노출된 절연막 패턴(16a) 및 예비 제1 기판(9)을 함께 식각하여, 상기 제1 도전 패턴(18a)이 노출되는 제1 기판(10a)을 형성한다. Specifically, the preliminary first substrate 9 is ground such that the distance between the bottom of the preliminary through via contact 59 and the bottom of the preliminary first substrate 9 is close to several μm. Subsequently, the preliminary first substrate 9 is etched to expose the insulating layer pattern 16a on the bottom surface of the preliminary through via contact 59. Next, the insulating layer pattern 16a exposed on the bottom surface and the preliminary first substrate 9 are etched together to form a first substrate 10a through which the first conductive pattern 18a is exposed.

상기 연마 및 식각 공정을 수행하면, 상기 예비 관통 비아 콘택(59)에 포함된 절연막 패턴(16a)의 저면이 제거되어, 비아홀(14)의 내측벽을 둘러싸는 분리막 패턴(16b)이 형성된다. 이로써, 상기 분리막 패턴(16b)을 포함하는 관통 비아 콘택(60a)이 형성된다. When the polishing and etching processes are performed, the bottom surface of the insulating layer pattern 16a included in the preliminary through via contact 59 is removed to form a separation layer pattern 16b surrounding the inner wall of the via hole 14. As a result, the through via contact 60a including the separator pattern 16b is formed.

한편, 적층형 소자의 전체 두께를 감소시키기 위해서는 상기 예비 관통 비아 콘택(60a)의 높이가 낮아지는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 예비 관통 비아 콘택(60a)의 높이가 낮아질수록, 상기 그라인딩 및 식각을 통해 제거되어야 할 상기 예비 제1 기판(9)의 두께는 더욱 증가하게 된다. 때문에, 상기 예비 관통 비아 콘택(60a)의 높이는 기판 그라인딩 공정 편차 등을 고려하여 설정되어야 한다. On the other hand, in order to reduce the overall thickness of the stacked device, it is preferable that the height of the preliminary through via contact 60a is lowered. However, as the height of the preliminary through via contact 60a is lowered, the thickness of the preliminary first substrate 9 to be removed through the grinding and etching increases. Therefore, the height of the preliminary through via contact 60a should be set in consideration of substrate grinding process deviation and the like.

도 14를 참조하면, 제2 기판(100) 상에 회로 패턴들(102), 배선들(104) 및 제2 층간 절연막들(106)을 형성한다. Referring to FIG. 14, circuit patterns 102, wires 104, and second interlayer insulating layers 106 are formed on the second substrate 100.

상기 제2 층간 절연막(106) 상에 상기 배선들(104)과 전기적으로 연결되는 제2 패드 전극(108)을 형성한다. 상기 제2 패드 전극(108)은 상기 제1 기판(10a)에 형성된 관통 비아 콘택(60a)과 각각 대향하도록 배치된다. A second pad electrode 108 is formed on the second interlayer insulating layer 106 to be electrically connected to the wires 104. The second pad electrode 108 is disposed to face the through via contact 60a formed in the first substrate 10a, respectively.

상기 제2 패드 전극(108) 및 최상부의 제2 층간 절연막(106)을 덮는 제2 보호막(도시안됨)을 형성한다. 다음에, 상기 제2 패드 전극(108)에서 신호가 인가되는 부위의 상부면에 위치하는 제2 보호막을 제거하여 제2 보호막 패턴(109)을 형성한다.A second passivation layer (not shown) is formed to cover the second pad electrode 108 and the uppermost second interlayer insulating layer 106. Next, the second passivation layer 109 is formed by removing the second passivation layer on the upper surface of the portion where the signal is applied from the second pad electrode 108.

다시, 도 9를 참조하면, 상기 제2 기판(100)의 제2 패드 전극(108) 상에 도전성 접촉 부재(110)를 형성한 다음, 상기 접촉 부재(110)와 상기 제1 기판에 형성되어 있는 관통 비아 콘택(60a)의 저면부를 서로 접촉시키고 압착한다. 이로써, 도 9에 도시된 것과 같이, 제1 반도체 칩(50) 및 제2 반도체 칩(150)이 적층된 적층형 반도체 소자가 완성된다. Referring to FIG. 9 again, the conductive contact member 110 is formed on the second pad electrode 108 of the second substrate 100 and then formed on the contact member 110 and the first substrate. The bottom portions of the through via contacts 60a are in contact with each other and compressed. As a result, as shown in FIG. 9, the stacked semiconductor device in which the first semiconductor chip 50 and the second semiconductor chip 150 are stacked is completed.

도 15는 일반적인 구조의 관통 비아 콘택을 나타낸다. 15 illustrates a through via contact of a general structure.

도 15를 참조하면, 비아홀의 측벽 및 저면에 절연막 패턴(51), 베리어 금속막 패턴(도시안됨)이 구비되고, 상기 베리어 금속막 패턴 상에 상기 비아홀이 완전히 채워지도록 구리 패턴(52)이 구비된다. 관통 비아 콘택(70) 및 층간 절연막(12) 상에는 캡핑막(54) 및 상부 층간 절연막(56)이 구비된다. Referring to FIG. 15, an insulating layer pattern 51 and a barrier metal layer pattern (not shown) are provided on sidewalls and a bottom surface of the via hole, and a copper pattern 52 is provided to completely fill the via hole on the barrier metal layer pattern. do. The capping layer 54 and the upper interlayer insulating layer 56 are provided on the through via contact 70 and the interlayer insulating layer 12.

구리 돌출 실험Copper extrusion experiment

도 15에 도시된 구조를 갖는 관통 비아 콘택의 비교 샘플 1 내지 3을 제조하였다. 상기 비교 샘플 1 내지 3은 관통 비아 콘택 깊이(d1)가 각각 다르며, 직경은 서로 동일하다. 상기 비교 샘플 1 내지 3의 깊이 및 직경의 비는 다음과 같다. Comparative Samples 1 through 3 of through via contacts having the structure shown in FIG. 15 were prepared. The comparative samples 1 to 3 have different through via contact depths d1, and the diameters are the same. The ratio of the depth and diameter of the comparative samples 1 to 3 is as follows.

직경 : 깊이  Diameter: Depth 비교 샘플 1Comparison sample 1 2 : 1.7 2: 1.7 비교 샘플 2Comparison sample 2 2 : 4.3 2: 4.3 비교 샘플 3Comparison sample 3 2 : 5.0 2: 5.0

상기 제조된 비교 샘플 1 내지 3을 각각 450℃의 온도 하에서 30분간 열처리 하였다. 이 후, 상기 비교 샘플 1 내지 3에서, 구리 패턴이 층간 절연막 위로 돌출되는 높이(d2)를 확인하였다. Comparative samples 1 to 3 prepared above were each heat-treated at a temperature of 450 ° C. for 30 minutes. Thereafter, in Comparative Samples 1 to 3, the height d2 at which the copper pattern protrudes over the interlayer insulating film was confirmed.

도 16은 각 비교 샘플들에서 구리 패턴이 돌출된 높이를 나타내는 그래프이다. FIG. 16 is a graph showing the height at which the copper pattern protrudes in each of the comparative samples. FIG.

도 16에 도시된 것과 같이, 관통 비아 콘택홀 내에 구리가 채워지는 깊이가 깊어질수록 상기 구리 패턴이 돌출되는 높이는 선형적으로 증가됨을 알 수 있었다. As shown in FIG. 16, it can be seen that as the depth of the copper filling in the through via contact hole increases, the height of the copper pattern protruding increases linearly.

즉, 상기 구리 돌출 실험을 통해, 상기 구리 패턴의 유효 높이를 낮추어 상기 구리가 채워지는 깊이를 감소시킴으로써 상기 구리 패턴이 돌출되는 높이를 감 소시킬 수 있음을 알 수 있었다. That is, through the copper protrusion test, it was found that by lowering the effective height of the copper pattern to reduce the depth of the copper filling, it is possible to reduce the height of the copper pattern protruding.

가상 비교 실험Hypothetical comparison experiment

도 1에 도시된 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 관통 비아 콘택 샘플을 제조하였다. A through via contact sample was prepared according to one embodiment of the present invention having the structure shown in FIG. 1.

상기 샘플 1의 관통 비아 콘택은 도 2 내지 도 8을 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 통해 형성하였다. The through via contact of Sample 1 was formed through the same process as described with reference to FIGS. 2 to 8.

구체적으로, 비아홀은 직경 20㎛ 및 깊이 50㎛의 사이즈로 형성하였다. 상기 제1 도전 패턴은 상기 비아홀 내에 5㎛ 두께의 구리를 증착하고, 후속 연마를 통해 형성하였다. 상기 완충 패턴은 SOG 계열의 산화물을 증착한 후 식각하여 형성하였으며, 약 35㎛의 두께가 되도록 하였다. 상기 제2 도전 패턴은 상기 완충 패턴 상에 5㎛ 두께의 구리를 증착하고, 후속 연마를 통해 형성하였다. 상기 제2 도전 패턴은 10㎛의 두께를 갖도록 하였다. Specifically, the via hole was formed in a size of 20 μm in diameter and 50 μm in depth. The first conductive pattern was formed by depositing 5 μm thick copper in the via hole and subsequent polishing. The buffer pattern was formed by depositing an SOG-based oxide and then etching it to a thickness of about 35 μm. The second conductive pattern was formed by depositing 5 μm thick copper on the buffer pattern and subsequent polishing. The second conductive pattern was to have a thickness of 10 μm.

상기 제조된 샘플을 450℃의 온도 하에서 30분간 열처리하였다. The prepared sample was heat treated at a temperature of 450 ° C. for 30 minutes.

상기 열처리 후 상기 샘플에서, 제1 및 제2 도전 패턴이 층간 절연막 위로 돌출되는 높이를 시뮬레이션 하였다. In the sample after the heat treatment, the height at which the first and second conductive patterns protrude above the interlayer insulating film was simulated.

상기 제조된 샘플의 경우, 실질적으로 제2 도전 패턴의 두께는 10㎛에 불과하며, 상기 제2 도전 패턴을 형성하기 위하여 구리막이 10㎛의 깊이로 채워졌다. 그러므로, 상기 열처리 후의 구리 패턴의 돌출 두께는, 구리막이 10㎛의 깊이로 채워졌을 때의 도출되는 높이와 동일한 높이로 판단될 수 있다. 따라서, 상기 열처리 후의 구리 패턴의 돌출 두께는 약 2㎛ 정도가 되는 것으로 계산되었다. In the case of the prepared sample, the thickness of the second conductive pattern was substantially only 10 μm, and the copper film was filled to a depth of 10 μm to form the second conductive pattern. Therefore, the protruding thickness of the copper pattern after the heat treatment can be judged to be the same height as that derived when the copper film is filled to a depth of 10 μm. Therefore, the protrusion thickness of the copper pattern after the said heat processing was calculated to be about 2 micrometers.

상기 설명한 것과 같이, 직경 20㎛ 및 깊이 50㎛의 사이즈를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 관통 비아 콘택 샘플에서 열처리 후의 구리 패턴의 돌출 두께는 약 2㎛ 이다. 반면에, 직경 20㎛ 및 깊이 50㎛의 사이즈를 갖는 관통 비아 콘택의 비교 샘플 3에서 열처리 후의 구리 패턴의 돌출 두께는 약 0.9㎛ 이다. As described above, in the through via contact sample according to one embodiment of the present invention having a diameter of 20 μm and a depth of 50 μm, the protruding thickness of the copper pattern after heat treatment is about 2 μm. On the other hand, in Comparative Sample 3 of the through via contact having a size of 20 mu m in diameter and 50 mu m in depth, the protruding thickness of the copper pattern after heat treatment was about 0.9 mu m.

이와같이, 동일한 크기의 관통 비아 콘택을 형성하였을 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 관통 비아 콘택은 기존의 관통 비아 콘택에 비해 돌출되는 두께가 크게 감소됨을 알 수 있었다. As such, when the through via contact having the same size is formed, the through via contact according to the exemplary embodiment of the present invention has been found to have a significantly reduced protruding thickness compared to the conventional through via contact.

상기 설명한 것과 같이, 본 발명에 따른 관통 비아 콘택은 적층형 반도체 소자를 제조할 때 이용될 수 있다. 본 발명의 관통 비아 콘택은 다양한 반도체 소자 즉, 메모리 소자, 로직 소자, 이미지 센서 등을 제조할 때에도 적용할 수 있다. 특히, 고집적화되면서도, 고속 동작이 가능하며, 낮은 소비 전력 및 높은 신뢰성을 갖는 반도체 소자들을 설계 및 제조할 때에, 본 발명의 관통 비아 콘택이 사용될 수 있다. As described above, the through via contact according to the present invention can be used when manufacturing a stacked semiconductor device. The through via contact of the present invention can be applied to manufacturing various semiconductor devices, that is, memory devices, logic devices, image sensors, and the like. In particular, the through via contact of the present invention can be used when designing and manufacturing semiconductor devices having high integration, high speed operation, and low power consumption and high reliability.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 관통 비아 콘택을 나타내는 단면도이다. 1A is a cross-sectional view illustrating a through via contact according to an embodiment of the present invention.

도 1b는 도 1a에 도시된 관통 비아 콘택을 나타내는 사시도이다.FIG. 1B is a perspective view illustrating the through via contact illustrated in FIG. 1A.

도 2 내지 도 8은 도 1a 및 도 1b에 도시된 관통 비아 콘택의 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.2 through 8 are cross-sectional views illustrating a method of forming the through via contact shown in FIGS. 1A and 1B.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 반도체 소자를 나타내는 단면도들이다.9 is a cross-sectional view illustrating a stacked semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 10 내지 도 14는 도 9에 도시된 적층형 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.10 to 14 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the stacked semiconductor device illustrated in FIG. 9.

도 15는 일반적인 구조의 관통 비아 콘택을 나타낸다. 15 illustrates a through via contact of a general structure.

도 16은 각 비교 샘플들에서 구리 패턴이 돌출된 높이를 나타내는 그래프이다. FIG. 16 is a graph showing the height at which the copper pattern protrudes in each of the comparative samples. FIG.

Claims (10)

비아홀을 포함하는 기판; A substrate including via holes; 상기 비아홀의 측벽 및 저면을 따라 구비되는 제1 도전 패턴;A first conductive pattern provided along sidewalls and bottom surfaces of the via holes; 상기 제1 도전 패턴 상에 구비되고, 상기 비아홀 내부의 일부만 채워진 완충 패턴; 및A buffer pattern provided on the first conductive pattern and filling only a part of the inside of the via hole; And 상기 비아홀 내부에서, 상기 완충 패턴 상부면을 덮는 제2 도전 패턴을 포함하는 반도체 소자의 관통 비아 콘택. The through via contact of the semiconductor device including a second conductive pattern covering the upper surface of the buffer pattern in the via hole. 제1항에 있어서, 상기 제1 도전 패턴 및 완충 패턴 사이에는 제1 베리어 금속막 패턴이 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 관통 비아 콘택.The through via contact of claim 1, wherein a first barrier metal layer pattern is provided between the first conductive pattern and the buffer pattern. 제1항에 있어서, 상기 제2 도전 패턴의 하부 표면을 따라 제2 베리어 막 금속막 패턴이 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 관통 비아 콘택. The through via contact of claim 1, wherein a second barrier film metal film pattern is provided along a lower surface of the second conductive pattern. 제1항에 있어서, 상기 완충 패턴은 상기 제1 도전 패턴에 비해 낮은 열팽창 계수를 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 관통 비아 콘택.The through via contact of claim 1, wherein the buffer pattern comprises a material having a lower coefficient of thermal expansion than the first conductive pattern. 제1항에 있어서, 상기 기판 상에 반도체 회로 패턴들이 구비되고, 상기 회로 패턴들을 덮는 하부 층간 절연막이 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 관 통 비아 콘택. The through via contact of claim 1, wherein semiconductor circuit patterns are provided on the substrate, and a lower interlayer insulating layer covering the circuit patterns is provided. 제5항에 있어서, 상기 비아홀은 상기 하부 층간 절연막 상부 표면으로부터 하방으로 연장된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 관통 비아 콘택. The through via contact of claim 5, wherein the via hole extends downward from an upper surface of the lower interlayer insulating layer. 제6항에 있어서, 상기 하부 층간 절연막, 제2 도전 패턴 및 제1 도전 패턴을 덮는 캡핑막이 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 관통 비아 콘택. The semiconductor device of claim 6, wherein a capping layer covering the lower interlayer insulating layer, the second conductive pattern, and the first conductive pattern is provided. 기판을 식각하여 상기 기판 표면 아래로 연장되는 비아홀을 형성하는 단계; Etching the substrate to form via holes extending below the substrate surface; 상기 비아홀의 측벽 및 저면을 따라 제1 도전막을 형성하는 단계;Forming a first conductive film along sidewalls and bottom surfaces of the via holes; 상기 제1 도전막 상에, 상기 비아홀 내부의 일부만 채우도록 완충 패턴을 형성하는 단계; Forming a buffer pattern on the first conductive layer to fill only a portion of the inside of the via hole; 상기 완충 패턴 상에 상기 비아홀을 채우는 제2 도전막을 형성하는 단계; 및 Forming a second conductive layer filling the via hole on the buffer pattern; And 상기 비아홀 상부가 노출되도록 상기 제1 및 제2 도전막 상부면을 제거하여, 상기 비아홀 내에 구비되는 제1 및 제2 도전막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 관통 비아 콘택 형성 방법. And removing the upper surfaces of the first and second conductive layers to expose the upper portion of the via holes, thereby forming first and second conductive layer patterns provided in the via holes. Forming method. 제8항에 있어서, 상기 완충 패턴을 형성하는 단계는, The method of claim 8, wherein the forming of the buffer pattern comprises: 상기 제1 도전막 상에 상기 비아홀을 채우는 완충막을 형성하는 단계; 및 Forming a buffer film filling the via hole on the first conductive film; And 상기 비아홀의 상부 표면보다 낮은 높이를 갖도록 상기 완충막의 일부를 제 거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 관통 비아 콘택 형성 방법. Removing a portion of the buffer layer to have a height lower than that of the upper surface of the via hole. 제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 기판 상에 반도체 회로 패턴들을 형성하는 단계; 및 Forming semiconductor circuit patterns on the substrate; And 상기 회로 패턴들을 덮는 하부 층간 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 관통 비아 콘택 형성 방법. And forming a lower interlayer insulating layer covering the circuit patterns.
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